泥水平衡盾构泥水环流系统设计计算研究

陈文远

（中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，陕西 西安 710054）

随着城市地铁、公路、铁路、引水等工程建设不断加快及对施工安全、质量、工期、成本等要求的不断提高，泥水平衡盾构施工工法被越来越多的应用于过江、过海及大直径隧道的工程建设中。泥水环流系统作为泥水盾构施工的重要组成部分，其设计计算的准确性及设备的选型的正确性，对施工的安全、质量、工期、成本有着重要的影响。

1 工程概况

武汉地铁6号线一期10标包含钟家村竖井—琴台站区间（简称钟琴区间）和琴台站—武胜路站区间（简称琴武区间）。钟琴区间隧道左线长度为389.3m，右线长度为425.2m，采用土压平衡盾构法施工。琴武区间隧道左线长度为1732.1m，右线长度为1691.4m，采用泥水平衡盾构机施工。琴武区间最大埋深约为43.0m，最小埋深约为14.93m，隧道穿越约350m宽的汉江，区间最小平曲线半径350m，最大坡度25.634‰。

琴武区间隧道穿越主要地层为3-5粉质黏土夹粉砂（约20%）、4-1a粉质黏土（约12%）、4-2粉细砂（约40%）、20a-1强风化泥岩（约5%）、20a-2中等风化泥岩（约10%）、其余为细沙、砾石等（约13%）。在350m宽穿越汉江地段，地层范围内主要为4-2b黏土、4-3中砂、20a-1强风化泥岩、20b-1强风化破碎泥岩。

琴武区间泥水平衡盾构机从琴台站始发，穿越汉江后到达武胜路站，泥水处理系统布置在钟家村竖井围挡内。该区间从管片外径6200mm，内径5500mm，环宽1500mm，分度22.5°，开挖直径6470mm。

泥水加压盾构工法的基本原理是：经过合理调整比重、压力和流量的泥浆被送入盾构机的开挖仓，与切削后的泥土混合后被排出，经流体输送设备输送至泥水处理站分离出泥土，并调整泥浆比重后再次循环使用。该标段进、排浆管路的直径设计为DN300mm，设计的进浆最大流量为900m³/h，排浆最大流量为950m³/h。

2 泥水环流系统工作模式

泥水环流系统工作模式主要分为旁通模式、掘进模式、保压模式、管路延伸模式和逆冲洗模式。

2.1 旁通模式

旁通模式如图1所示，进浆阀V31和排浆阀V51关闭，旁通阀V41开启。地面泥浆池的膨润土浆液经进浆泵送入盾构机后并不进入开挖舱，而是通过旁通阀V41后直接进入排浆管，从而返回地面泥浆池。掘进模式、逆冲洗模式、保压模式和管路延伸模式相互切换时都必须通过旁通模式。

图1 旁通模式

2.2 掘进模式

掘进模式如图2所示，进浆阀V31和排浆阀V51开启，旁通阀V41关闭。在正常掘进时，新鲜的膨润土浆液由地面不断地输送进来，以确保与开挖仓中的切削下来的渣土混合。排浆泵将开挖下来的渣土与膨润土浆液一起泵送到地面的泥水分离设备。

2.3 保压模式

保压模式如图3。在长时间停机的情况下，泥水仓内可能发生泥浆的损失，为了保持掌子面的压力需要对泥水仓内的泥浆液位进行控制，必要时应进行液位补充，膨润土罐中的膨润土由压缩空气调节系统提供的压力来补偿开挖仓内的压力损失，相当于替代型气垫仓功能。

图2 掘进模式

图3 保压模式

2.4 管路沿伸模式

管路延伸模式如图4所示，为了能在掘进过程中对管路进行延伸，需通过延伸装置周期性对进排浆管路进行加长。管路延伸模式下换管处的阀V33和V53以及离换管处最近的闸阀关闭，进排浆管路中剩余的浆液流入收集槽内，通过渣浆泵将浆液排入气垫仓内。管路延伸方式通常有活塞式和软管卷盘式两种。

图4 管路沿伸模式

2.5 逆冲洗模式

逆冲洗模式如图5所示，阀V31和V48关闭，V41和V51开启，该模式在开挖仓底部沉渣较多或排浆管路堵塞的情况下使用。前方进浆喷嘴全部关闭，新鲜的膨润土浆液直接通过旁通阀进入排浆管，对排浆管或者开挖仓底部进行冲刷。随着工作仓内膨润土浆液的增加，为维持压力平衡，需将此部分浆液排出，即通过反向冲洗管路由P2.1 泵排出。

图5 逆冲洗模式

3 泥水环流系统容量计算

3.1 基本参数

武汉地铁6号线一期10标标段工程数据如表1所示。

表1 武汉地铁6号线一期10标标段工程数据

出渣量：

排浆流量：

进浆流量：

3.2 环流系统临界流速

设计流速是指设计充满管道内的水流平均速度。为了防止管道中产生淤积或过度冲刷，设计流速应处于最大和最小设计流速范围之内。最小设计流速是保证管道内不致发生淤积的控制流速，含有大颗粒的管道，最小设计流速宜适当加大，其值根据试验或经验值决定，此流速由临界流速计算可得；最大设计流速与管材相关，是保证管道不因长期剧烈冲刷而缩短运行寿命的控制流速。通常，金属管道的最大设计流速为10m/s，非金属管道的最大设计流速为5m/s。

通常设计流速取值范围为2～5m/s。设计流速不宜过大，因为管道中的阻力将随速度的平方而增大，管道的磨损也将随速度的提高而显著加剧，导致管路使用成本增高。管道阻力的增大，就要提高输送泵的功率，从而增高能源消耗费用。

根据流体的流量和流速的大小，管路的直径可按式（1）计算：

式中：d为管路的直径，mm； Q为管路的流量，L/min；V为管路的流速，。

取Q=900m3/h=15000 L/min，V=4m/s ，经过计算得d≥282mm，因此取d-300mm。

为了保证管道内无沉淀，必须保证管道内具有一定的流速。进排泥浆管路内的临界流速可按Durand公式（2）计算：

3.3 进浆系统设计计算

3.3.1 进浆流速与流量的计算

根据式（2），取FL-0.8，g-9.8m/s2，d-=0.3m，计算可得进浆管的临界流速为：

进浆管的最低流量可按式（3）计算：

式中：Q进min为进浆管的最低流量，m3/h；d为管路的直径，m；v为管路的临界流速，m/s。

3.3.2 进浆扬程的计算

进浆扬程可按式（4）计算：

式中：H进为进浆扬程，m；为隧道的最大埋深，m；为泥水舱压力为管路阻力的损失扬程，m；的损失扬程，m。

3.3.3 进浆泵功率及数量的计算与选型

进浆的功率按式（5）计算：

式中：P进为进浆功率，kW；ρ为泥浆的密度，kg/ m3；g 为重力加速度，m/ s2；Q为泵的流量，m3/s；H 为泵的扬程，m；η为泵的效率。

故进浆泵的功率选定为315kW或者400kW均满足要求。

3.4 排浆系统设计计算

3.4.1 排浆流速与流量的计算

排浆管的最低流量可按式（6）计算：

式中：Q排min为排浆管的最低流量，为管路的直径，m；v 为管路的临界流速，m s /。

3.4.2 排浆扬程的计算

排浆扬程可按（7）式计算：

式中：H排为排浆扬程，m；Ha为隧道的最大埋深，m；Hv为管路阻力的损失扬程，m；Hw为泥水舱压力的损失扬程，m；Hs为泥水分离站到井口的高度，m。

在标段中，隧道的最大埋深为43m，因此取Ha=43m。排浆管路的总长度同进浆系统，为2600m。根据经验公式，排浆管路中每100m损失6m扬程，泥水舱压力损失扬程为Hw=-30m。泥水分离站到进口的高度，计算可得：

3.4.3 排浆泵功率及数量的计算与选型

排浆的功率按（8）式计算：

式中：P排为排浆功率，kW；ρ为泥浆的密度，为重力加速度，为泵的流量，m s；3/H 为泵的扬程，m；η为泵的效率。

故排浆泵的功率选定为400kW，满足要求。

本设计计算中进排浆泵的功率和扬程为理论计算值，并且没有考虑90°弯头、45°弯头、各种阀门等对管路沿程损失的影响，同时，在实际施工中由于泥水分离效果无法达到设计值导致泥浆密度增大、泵的实际工作效率达不到设计值等，都将导致实际的泵功率比理论计算值大。因此，为了满足实际施工需求，泥水环流系统配置的泵功率都应该预留安全系数，以应对施工中各种工况。

4 结语

本论文通过对泥水平衡盾构施工泥水环流系统的介绍和设计计算，为泥水盾构环流系统的设备选型、采购、操作、维保等提供了依据，同时也为后续工程系统的设计计算提出了参考。该标段工程施工已经顺利结束，证明设计计算完全满足实际施工的要求。但同时应看到施工中的实际工况与理论工况存在较大差别，必须结合地质、环境、水文等因素对泵功率和扬程保留足够的安全系数，并结合工程施工经验，才能保证泥水环流系统在隧道掘进的过程中高效稳定的运行。

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